太阳能与空气源热泵在京幼儿园供暖应用方案
发布日期:2018-10-10     发布人:陈辰    文章来源:地暖月刊     浏览次数:
1 提出的问题针对公共供暖费用居高不下,空调耗电量大的情况,国内外众多科研单位及学者做了大量的尝试,希望只需要一套公用设备,就能既解决冬季供暖又解决夏季空调这一问题,对此众

1 提出的问题


针对公共供暖费用居高不下,空调耗电量大的情况,国内外众多科研单位及学者做了大量的尝试,希望只需要一套公用设备,就能既解决冬季供暖又解决夏季空调这一问题,对此众人提出了很多系统方案,比如分别采用地源热泵、水源热泵、空气源热泵,以及热泵机组与风机盘管供暖及空调方式,再者采用双末端的空气源热泵空调系统,还有在冬季及夏季通过集中处理采用风管送风空调系统。


以上组合方式无论采用风管系统或风机盘管,在节能上都有一定的优势,但也存在不可克服的缺点,如送风机、未端装置风机盘管的耗能问题、风机盘管的噪声影响睡眠问题。有的用户反映冬季使用风机盘管,室内空气比其他采暖方式要干燥,并且室内灰尘较大、不舒适等。


以上诸多问题随着空调在公共建筑中的普及,以及人们生活质量的提高,用户对室内空气品质的要求越来越高,科研单位及学者不得不面临一些新的问题与设想。如房间温湿度对人的舒适性影响,尤其是选择公共建筑供暖及空调方式等。


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2 项目概况


本建筑位于京郊区某县,共两层,第一层建筑面积约1054㎡,第二层建筑面积约1010㎡,总建筑面积约2210㎡,需解决综合楼夏季制冷和冬季供暖问题。

3 气象参数


(1)冬季室外采暖计算温度为-7.6℃。

(2)冬季室外通风计算温度为-3.6℃。

(3)夏季室外通风计算温度为29.7℃。

(4)夏季空气调节室外所计算出的温度为33.5℃。

(5)夏季空气调节室外计算的湿球温度为26.4℃。

(6)冬季空气调节室外计算的相对湿度为45%

(7)夏季通风室外计算相对湿度为61%

(8)冬季室外风速为2.6m/s

(9)夏季室外风速为2.1m/s


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4 负荷计算


4.1 冬季采暖热负荷


由于建筑结构不详,需要对原建筑增设外围护,包括外墙、屋顶保温、外窗、外门保温等,整改后应达到北京市第三步节能标准。


冬季采暖热负荷估算:总热负荷约为196.17kW。


系统具体划分如下:

一、二层(南)总建筑面积:761㎡;热负荷约为60.52kW

一、二层(西北)总建筑面积:701㎡;与中间楼梯为界,公共区域为(东北),热负荷约为64.4kW

一、二层(东北)总建筑面积:748㎡;热负荷约为70.27kW

5 热源的选择


5.1 空气源热泵选择


选用空气源热泵三台,(由于甲方只提供60kW供电量)在-10℃~15℃时,能效比为12,空气源热泵提供热负荷约为120kW,剩余的热量约为76kW由太阳能(太阳能上有辅助电加热)承担。


5.2 太阳能部分的选择


(1)北京地区太阳辐射及气候状况(如表1)。

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(2)集热器全日集热效率ηcd的确定。


北京年平均日太阳能辐照量Jt=16014kJ/㎡。年平均日照小时数7.5h,则平均总日照辐照量G16014/(3600×7.5)=593(W/)


北京市年平均气温11.5℃,则归一化温差T*i计算为[(10/3+48×2/3)11.5]/593=0.040


将以上数据代入我公司集热器的瞬时效率曲线图,得到数据为53%。


(3)年太阳能节能量的确定:


年太阳能节能量为:ΔQsave1=AcJt(1-ηc)ηcd


式中:

ΔQsave1——太阳能热水系统一年的节能量,MJ

Ac——直接系统的太阳能集热面积,㎡;

Jt——太阳能集热器采光表面上的年总太阳辐照量,MJ/㎡;

ηcd——太阳能集热器全日集热效率;

ηc——管路和水箱的热损失率。


ΔQsave1=303×5844×(1-0.2)×0.53=750790MJ


5.3 太阳能集热器面积:


根据北京年平均日太阳能辐照量,得到ηcd53%,管路和水箱的热损失率取20%


Ac=76×1000/593×0.53×(1-0.2)]=7600/251=303


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6 供回水参数的确定


冬季地面供暖由空气源热泵供给40℃热水,回水温度为35℃(太阳能辅助热源);夏季空气源热泵提供7℃冷冻水,回水温度为12℃;一年四季提供生活热水。


6.1 供热地表面温度


6.1.1 供热地表面平均温度


地面设计不同装饰材料的表面温度,是来自于人的脚直接与过热或过冷的物体表面接触,本设计参照国际标准(ISO 7730)规定,对于室内不运动的人来说,室温宜在19℃~20℃之间,其中29℃是地面供暖系统地表温度的极限;欧盟CEN建议对供暖地表面温度,根据舒适程度可分为三个等级,A级别最高,B级与C级别较低,因此地表面温度是根据不同的舒适等级程度来确定的,供暖地表面温度范围见下表2

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通过表2得知,地面辐射供暖的地面表面温度范围是19℃~29℃。


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7 太阳能集热系统


太阳能集热系统主要由太阳能集热器、集热器支架、循环管路、循环泵、阀门、过滤器、储热水箱等组成。


集热器由太阳能采暖专用真空管和特制的采暖联箱组成,本集热器实现了承压运行、超低温差传导、防垢、防冻、防漏、抗风功能,真空管经过特殊加工处理,即使玻璃管损坏,系统也不会漏水,可以照常运行。


集热器及支架设计安装合理,且功能与景观完美结合,不破坏建筑物美观,并可起到屋顶隔热层作用。


集热器采集的热量以水为载体,通过循环管路储存于储热水箱中。水箱有两个,一个是热水水箱,主要用于生活热水和洗浴热水,另一个是膨胀水箱,主要用于采暖和制冷。


水箱与集热器采用高位集热器低位水箱安装方式,强制循环,以停机排空的运行方式,实现太阳能的采集和系统防冻,大大提高了对太阳能的采集效率和系统安全性。


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8 低温热水地面辐射采暖系统

                         

低温热水地面辐射采暖系统,本工程采用低温热水地面辐射采暖,上下两层共设四组分集水器,每组分别采用温控器控制,优先使用太阳能能源,根据采暖区域温度的要求,合理利用辅助热源,大大减少运行费用。


进入冬季采暖时,必须先将系统进行冬夏季循环管路转换,然后以集热系统及辅助能源系统生产的热水为热媒,在地板盘管中循环流动,从而加热地板,再通过地面辐射的方式向室内供热。


低温热水地面辐射采暖所需供水温度在35℃~50℃,较普通散热器供水温度85℃~95℃低很多,从采暖水箱到采暖末端属于低温传输,所以传输热损会大大减少。


地面辐射采暖系统,由供暖系统供给40℃热水,进入设置的集、分水器,经集、分水器接至各环路加热盘管。在总供水支管分至集、分水器之间设置过滤器及调节阀。为确保采暖系统运行可靠可在集、分水器上分别设置调节阀及自动排气阀。


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9 材料采购及说明


9.1 PE-X管材(交联聚乙烯管材)


采用德国加工技术及韩国LG公司进口原材料制成的PE-X管材,符合国际标准ISO 9001,无论从品质上、品种上都达到了国内领先水平,能满足用户的要求。


(1)纵向回缩率≤0.3%

(2)液压试验110℃,环应力2.5MPa8760h,无渗漏和不破损。

(3)其他试验要求。


9.2 集、分水器


选用铜制集、分水器及管件,集、分水器棒体直径为φDN32㎜。为确保每环流量分配均匀,在分、集水器上分别带有流量调节阀,用户可根据相应的流量以调节所需流量。为确保系统运行正常,在集、分水器上安装先进的自动排气阀。


9.3 自熄型聚苯乙烯泡沫塑料板


其物理性能应符合下列要求:


(1)表观密度≥20kg/m³。

(2)导热系数≤0.041W/m·k

(3)抗压强度≥100kPa

(4)氧指数不应小于30%


所有地板辐射采暖供应的材料附有产品质量检验报告及出厂合格证书。

10 热泵机组


本系统利用了风冷热泵机组的优点,它不但冬季可以给太阳能采暖提供热能补充,还可以独立完成夏季制冷的需求,实现一机多用,充分利用能源,降低投资成本。进入夏季制冷时必须先将系统进行冬夏季循环管路转换,将生活水箱和膨胀水箱独立使用,太阳能集热器为用户提供热水。由热泵机组生产低温水并储存于膨胀水箱,通过风机盘管吸收室内热量,为室内降温,达到制冷目的。由于采用冷水系统,室内水分及人体水分不易流失,所以远比直接使用氟系统舒适。

11 系统配置


本系统采用微电脑自动控制,能够自动识别阳光有无及强弱,监测水箱水温和室内温度,实现太阳能集热系统和采暖系统温差循环,采暖实施分室分时段控制;水位自动控制;热水系统自动循环保温,恒温恒压给水;实时功能状态显示;另特为有峰谷电价地区的用户设计了谷电应用功能,使辅助能源在谷电时间段内充分蓄能,享受优惠电价,减少运行费用。


为保证系统运行可靠及用户人身安全,还设置了多种保护措施,如漏电保护、过载短路保护、干烧保护、水流保护、逆序保护、缺相保护、超温保护、高压保护、低压保护、频繁启动保护等,用户可放心使用。


控制系统人机界面可以显示各种设置点参数及各设备运行情况,自动检测系统故障并显示故障代码,以方便查询和检修。通过全智能化的控制功能,即充分有效地采集利用了可再生能源,又最大限度地节约了能源,同时保证了系统的稳定性、可靠性和安全性。


自动控制系统:电控柜、主控采用德国SIEMENS的PLC为控制核心。该装置具有模块化组合功能,能够进行现场编程,远程监控及联网,工作中安全可靠。


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12 特性


本系统充分利用现有条件,与太阳能热泵相结合,最大限度利用太阳能,在冬季阳光充足时,采集能量由保温水箱储存使用。热泵系统在当室外气温在5℃以上时,热泵系统的能效比在3以上作为主运行状态,5℃以下时热泵系统的能效比在2.4以上作为辅助运行状态,通过这种运行方式采集能量,由水箱储存,夜晚使用,可以最大限度地节约电能,并满足供热与制冷要求。


如有波峰波谷半价电供应地区热泵夜间使用将更实惠。

13 费用指标


(1)全年采用平价电运行电费:

60×0.5×10×120/2210=16.2/


(2)如采用低谷电全年为:

60×0.33×10×120/2210=10.8/


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